高粘瀝青在超薄磨耗層應用中的性能研究

楊學娜

摘要 超薄磨耗層受外界行車和氣候環境的影響容易出現松散、剝落、掉粒現象，采用高粘瀝青拌和的超薄磨耗層能夠大幅提高瀝青路面的抗滑性能。文章采用60 ℃重復蠕變試驗、低溫彎曲梁流變試驗以及動力粘度試驗分析了TPS高粘瀝青、YS高粘瀝青、KT高粘瀝青以及D高粘瀝青在短期老化以及長期老化后的高、低溫性能，以期為超薄磨耗層的科學施工提供參考。

關鍵詞 超薄磨耗層;高粘瀝青;路用性能

中圖分類號 U414 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）13-0080-03

0 引言

超薄磨耗層中大孔隙的存在和自身厚度較薄，容易受到外界行車和氣候環境因素的影響，在服役中易出現孔隙衰減，導致水分不能及時排除，在車輪荷載的反復作用下，水分不斷沖刷混合料，使得集料之間的粘結強度下降，進而出現松散、剝落、掉粒現象。不同于密實型的瀝青混合料中不同級配集料與瀝青之間的面接觸形式，超薄磨耗層集料之間的粘結狀態為通過高粘瀝青粘結形成的點接觸，超薄磨耗層路面的耐久性主要由其中的高粘瀝青的性能決定，高粘瀝青的高、低溫蠕變特性，黏聚力以及內聚力等均是影響超薄磨耗層性能的主要因素。

在超薄磨耗層中，高粘瀝青一方面要承受來自荷載的剪切作用，另一方面要充當粗集料的粘結劑，因此，高粘瀝青的高溫抗剪切性能、低溫抗裂性能對超薄磨耗層的服役性能有至關重要的影響[1]。為保證超薄磨耗層孔隙結構的穩定性和加鋪層的耐久性，需要對高粘瀝青短期老化、長期老化后的高溫蠕變特性、低溫變形性能以及粘度特性進行分析，評價不同高粘瀝青的路用性能以及不同老化方式對高粘瀝青性能的影響，評價高粘瀝青在超薄磨耗層中應用的可行性[2]。

1 蠕變測試與擬合

1.1 60 ℃重復蠕變恢復試驗

瀝青高溫性能的評價方式對不存在延遲彈性恢復變形的基質瀝青來說是合理的，而聚合物改性瀝青在變形中不僅存在瞬時彈性變形、粘性變形還有延遲彈性變形，而車轍因子在計算中未考慮聚合物改性瀝青的延遲彈性變形，而這部分屬于改性瀝青變形的主要組成部分，因此，采用車轍因子評價改性瀝青的高溫性能具有一定的局限性。

重復蠕變恢復試驗（RCRT），不僅可以反映聚合物改性瀝青在變形中的瞬時彈性變形，還可以反映粘性變形還有延遲彈性變形，因此用重復蠕變恢復試驗來評價改性瀝青的在高溫條件下的抗剪切性能，其試驗方法為在60 ℃條件下，對瀝青試樣在線性粘彈性應力范圍內（100～300 Pa）加荷1 s，卸載9 s，重復100個循環，對第50次和51次的蠕變變形曲線采用Burgers模型，計算瀝青蠕變模量中的粘性成分及其變形恢復性能來評價瀝青的高溫抗剪切變形性能。

該文儀器采用應力控制型動態剪切流變儀，選擇直徑為25 mm的平行板夾具。測試荷載為100 Pa，測試原樣TPS高粘瀝青、KT1301高粘瀝青、YS4303高粘瀝青、YH791高粘瀝青及其旋轉薄膜烘箱老化和壓力老化后瀝青試樣的蠕變恢復性能。

1.2 低溫小梁彎曲蠕變

小梁彎曲流變試驗是美國戰略公路研究計劃瀝青性能評價方法的主要研究成果之一。對瀝青低溫抗裂性的評價一方面對低溫下的蠕變勁度模量進行測試，另一方面考慮了瀝青在低溫下的松弛性能，計算了低溫下蠕變勁度模量的增長速率。對瀝青低溫勁度模量、蠕變勁度模量的變化速率與瀝青混合料低溫抗裂性的相關性能的研究結果表明，兩者之間具有很好的相關性。

瀝青的低溫小梁彎曲流變試驗方法為在一定的溫度條件下，對試件持續加載240 s，通過加載時間以及應變的相互關系，計算得到蠕變勁度模量S和變形速率m。在低溫條件下，瀝青的蠕變勁度模量越小，變形速率越大，瀝青發生變形越容易，溫度應力消散越快，瀝青的低溫抗裂性能越好。該文采用美國CANNON彎曲梁流變儀測試經壓力老化后的TPS高粘瀝青、KT1301高粘瀝青、YS4303高粘瀝青、YH791高粘瀝青，測試溫度為?12 ℃。

1.3 高粘瀝青動力黏度

粘度是對流體軟硬程度的度量方法之一，在道路行業，粘度常用于表征瀝青材料抵抗高溫流動變形的能力。我國大部分區域在夏天高溫季節路面溫度在50～65 ℃之間。所以《公路瀝青路面規范》規定采用60 ℃動力粘度作為評價瀝青高溫性能的指標。瀝青材料60 ℃動力粘度采用真空減壓毛細管法測試得到。動力粘度的獲得是以瀝青在標準的真空減壓條件下流經特定尺寸的真空減壓毛細管粘度計，通過計算粘度計系數與流動時間之間的關系，得到瀝青材料的動力粘度。

1.4 Burgers模型

瀝青是典型的粘彈性材料，瀝青的應變包括了瞬時彈性變形、延遲彈性變形和粘性，變形三部分，其應力應變關系可采用包含了粘、彈、塑性原件的本構模型表示。通常，在力學模型中，材料的粘性和彈性變形分別采用粘壺和彈簧表征。用于計算瀝青的蠕變關系的模型主要包括粘性變形和彈性變形的二原件模型（Maxwell模型、Kellvin模型），包括了粘性變形、彈性變形以及延遲彈性變形的三元件模型（Burger模型）等。Burgers模型由一個反映瞬時彈性變形的彈簧、一個不可恢復粘性變形的粘壺以及一個表示延遲彈性恢復的Kellvin模型串聯組成。Burgers模型能夠表征瀝青的粘性、彈性和延遲彈性變形，可以更加全面地反映其粘彈性能。

2 高粘瀝青蠕變—恢復特性

根據Superpave瀝青結合料重復蠕變—恢復試驗及數據擬合方法，該文采用重復蠕變—恢復試驗中第50次和51次蠕變試驗結果進行Burgers模型擬合，分析TPS高粘瀝青、YS高粘瀝青、KT高粘瀝青以及D高粘瀝青的高溫黏彈性以及短期老化和長期老化對不同高粘瀝青黏彈性的影響。其中，Burgers模型中代表瞬時彈性模量的參數0 G取經驗值50 000 Pa，在此基礎上，采用ORIGIN軟件的分析擬合功能，將蠕變和時間分別作為應變量和自變量，帶入Burgers模型，擬合得到其余參數。結果如表1所示。

分析表1中TPS高粘瀝青、YS高粘瀝青、KT高粘瀝青以及D高粘瀝青在老化前、短期老化以及壓力老化后的粘彈性參數以及各參數的擬合標準差和方程擬合方差，可以看出，各參數的擬合標準差均小于擬合值的8%，而Burgers模型對蠕變曲線的擬合方差均大于0.997，說明Burgers模型對高粘瀝青的蠕變擬合度較好。

對表1中代表高粘瀝青高溫抗剪切性能的指標的分析結果表明，在老化前，四種高粘瀝青的η0的排序依次為KT高粘瀝青、TPS高粘瀝青、YS高粘瀝青和D高粘瀝青。Burgers模型的分析結果說明，在老化前四種高粘瀝青中KT高粘瀝青的抗永久變形能力最好，其次為TPS高粘瀝青和YS高粘瀝青，而D高粘瀝青抵抗永久變形的能力最差，在經歷短期老化后，TPS高粘瀝青η0的值減小，而YS高粘瀝青、KT高粘瀝青、D高粘瀝青η0的值則增大，四種高粘瀝青抵抗永久變形的能力由大到小依次為D高粘瀝青、KT高粘瀝青、YS高粘瀝青和TPS高粘瀝青，這一排序與老化前相比有較大的變化。

高粘瀝青在老化過程中既有瀝青相的氧化縮合，又有改性劑相降解，其中瀝青相的氧化縮合提高了高粘瀝青抵抗永久變形的能力，而改性劑的降解則使高粘瀝青抵抗永久變形的能力變差。該文采用SK90基質瀝青制備四種高粘瀝青，因此，可以認為四種高粘瀝青中瀝青相的氧化縮合程度是相同的。四種高粘瀝青老化后抵抗高溫變形性能的變化主要由聚合物改性劑的降解程度的差異造成。四種高粘瀝青分別采用了TPS改性劑和三種不同性能的SBS改性劑，在老化后TPS高粘瀝青和YS高粘瀝青抵抗高溫變形的能力大幅度降低，說明TPS和YS改性劑在老化中存在大幅度的降解，而KT和D改性劑降解程度相對較少。

3 高粘瀝青低溫蠕變特性

表2為TPS高粘瀝青、YS高粘瀝青、KT高粘瀝青以及D高粘瀝青經歷短期老化以及壓力老化后的在?6 ℃、?12 ℃、?18 ℃以及?24 ℃的彎曲梁流變試驗所獲得的勁度模量值和蠕變變形速率值。從表2可以看出，四種高粘瀝青在低溫下的勁度模量均隨著測試溫度的降低迅速增大，而蠕變變形速率值則隨著測試溫度的降低逐漸下降。說明四種高粘瀝青抵抗低溫開裂的能力以及溫度應力松弛的能力均隨著環境溫度的降低而劣化，溫度越低，超薄磨耗層越容易發生溫縮開裂。

根據SHRP對瀝青低溫PG等級的規定（某一溫度下勁度模量<300 MPa、蠕變變形速率>0.3），對比TPS高粘瀝青、YS高粘瀝青、KT高粘瀝青以及D高粘瀝青的蠕變變形速率m值和勁度模量S值可以發現，當測試溫度相同的條件下，TPS高粘瀝青的蠕變變形速率m值最小、而勁度模量S值最大，其次為YS高粘瀝青;而KT高粘瀝青以及D高粘瀝青均表現出較高的蠕變變形速率m值和較小的勁度模量S值。而YS高粘瀝青和TPS高粘瀝青的低溫抗裂性能較差。

4 高粘瀝青60 ℃黏度

Superpave對瀝青結合料高溫性能評價指標與路面車轍之間相互關系的研究結果表明，軟化點、車轍因子、針入度、60 ℃動力粘度以及135 ℃運動粘度等與車轍相關性大小的排序依次為：60 ℃粘度>軟化點>車轍因子>針入度>135 ℃粘度，說明采用60 ℃粘度評估瀝青高溫抗剪切變形能力比軟化點等指標更加合理。因此，該文采用60 ℃動力粘度評價四種高粘瀝青在旋轉薄膜烘箱老化以及壓力老化后的高溫變形特性。結果如表3所示。

分析表3，對比老化前四種高粘瀝青的60 ℃粘度發現，四種高粘瀝青抵抗高溫剪切變形的排序由大到小依次為TPS高粘瀝青>KT高粘瀝青>YS高粘瀝青>D高粘瀝青，TPS高粘瀝青由于其中大量的SEBS和SBS聚合物改性劑的存在，細碎的改性劑分散在瀝青中一方面吸收瀝青中的輕質組分，使改性瀝青中瀝青相中輕質組分的含量減小，瀝青相整體相對分子量提高，宏觀表現為瀝青的粘度大幅度增加;另一方面，大量的改性劑通過剪切以細小的顆粒分散在瀝青中，形成空間網絡結構，提高了瀝青抵抗變形的能力，使得TPS高粘瀝青表現出優于其余三種高粘瀝青的高溫抗變形特性。而另外三種高粘瀝青中高摻量的SBS改性劑同樣提高了瀝青的高溫粘度，但不同來源的改性劑對瀝青粘度的提高程度存在顯著的差異，其中以KT高粘瀝青的60 ℃粘度最大，而D6302高粘瀝青60 ℃粘度最小。

從瀝青抵抗高溫變形的角度分析，高粘瀝青在熱、氧老化過程中存在兩種截然相反的性能變化過程，老化使高粘瀝青中瀝青相發生氧化縮合，瀝青相中輕質組分的含量減少，瀝青相粘度增加;而改性劑相則在老化過程中不飽和雙鍵斷裂，改性劑相的相對分子質量減小，導致高粘瀝青的粘度降低。KT高粘瀝青和D6302高粘瀝青老化后粘度進一步提高，說明這兩種高粘瀝青在老化中以瀝青相的氧化縮合為主，改性劑的降解較少;而YS4303和TPS高粘瀝青在老化后粘度大幅度降低，說明這兩種高粘瀝青的老化以改性劑的降解為主。

與短期老化前相比，四種高粘瀝青在經歷長期老化后60 ℃粘度有些許上升，說明高粘瀝青在長期老化以瀝青相的氧化縮合為主。PAV老化溫度為100 ℃，在此溫度下，改性劑的降解并不顯著，而瀝青相有略微的老化。

5 結論

（1）壓力老化后四種高粘瀝青抵抗永久變形的能力均較短期老化后有一定程度的提高，四種高粘瀝青的排序依次為D高粘瀝青、KT高粘瀝青、YS高粘瀝青和TPS高粘瀝青，這一排序與短期老化后的完全一致，說明PAV老化中四種聚合物改性劑對高粘瀝青抵抗永久變形的影響較小。

（2）四種高粘瀝青中KT高粘瀝青和D高粘瀝青的低溫抗裂性能最好，且兩者的蠕變變形速率和勁度模量值接近;而YS高粘瀝青和TPS高粘瀝青的低溫抗裂性能較差。根據SHRP對瀝青低溫PG等級的規定，YS高粘瀝青、KT高粘瀝青和D高粘瀝青滿足PG-28技術標準，而TPS高粘瀝青則滿足PG-22技術標準。

（3）不同來源的改性劑對瀝青粘度的提高程度存在顯著的差異，其中以KT高粘瀝青的60 ℃粘度最大，而D6302高粘瀝青60 ℃粘度最小;老化后TPS高粘瀝青和YS高粘瀝青老化后的粘度值較老化前有大幅度的降低，KT高粘瀝青老化后60 ℃粘度較老化前略有升高，而D高粘瀝青的60 ℃粘度則大幅度增長，增長率達50%。

參考文獻

[1]常逢奇. 超薄磨耗層用高粘瀝青性能研究[D]. 西安：長安大學， 2020.

[2]張金生， 馬麗莉， 陳奕辛. 高粘瀝青與瀝青混合料性能對比研究[J]. 四川水泥， 2020（2）： 313-314.